DE2304775A1

DE2304775A1 - Bistabiler, durch magnetische energie betaetigter schalter

Info

Publication number: DE2304775A1
Application number: DE19732304775
Authority: DE
Inventors: Waldemar H Kurpanek
Original assignee: Kurpanek W H
Current assignee: Kurpanek W H
Priority date: 1973-02-01
Filing date: 1973-02-01
Publication date: 1974-08-15
Also published as: DE2304775B2; GB1422049A; GB1421487A

Description

Bistabiler« durch magnetische Energie betätigter Schalter

Die Erfindung betrifft einen bistabilen, durch magnetische Energie betätigten Schalter mit einem Gehäuse, in dem zwei Dauermagnete untergebracht sind, zwischen den Magneten angeordneten Kontakten, die mit elektrischen Leitern verbunden sind, und einem frei beweglichen Anker aus elektrisch leitendem, ferromagnetische!!! Material, der jeweils mindestens ein zusammengehöriges Paar der Kontakte zu überbrücken vermag.

Schalter dieser Art werden beispielsweise in elektromagnetischen Relais verwendet, wobei durch die freie Beweglichkeit des als Kontaktüberbrückungsgliedes dienenden Ankers Reibungsverluste vermieden werden, wie sie bei herkömmlichen Relais mit mechanisch angelenkten Kontaktüberbrückungsgliedern auftreten. Dadurch werden kurze Schaltzeiten und kompakte Bauweisen der Schalter oder Relais möglich.

Ein derartiger Schalter ist ζ·Β. aus der US-PS 3 525 958 bekannt. Bei dem dort beschriebenen Schalter ist ein frei beweglicher, elektrisch leitender Anker aus ferromagnetisehern Material zwischen elektrischen Kontaktpaaren angeordnet, die zugleich den magnetischen Fluß zweier Dauermagnete leiten, die in einigem Abstand voneinander so montiert sind, daß ihre gleichnamigen Pole einander gegenüberliegen. Magnete, Kontakte und Anker sind von einer Erregerwicklung umgeben, deren Magnetfeld das Magnetfeld der Dauermagnete überlagert. Übersteigt der gesamte Magnetfluß in dem Luftspalt zwischen den Kontakten den Magnetfluß an den Berührungspunkten zwischen den Kontakten und dem Anker, so wird der Anker angehoben und ua seinen Schwerpunkt gedreht, wodurch die Verbindung zwischen dem ersten Kontaktpaar, an dem der Anker anlag, unterbrochen und eine elektrische Verbindung zwischen dem anderen Kontaktpaar hergestellt wird.

Ein Nachteil dieses Schalters besteht darin, daß die Dauermagnete im Kraftfeld der Wicklung angeordnet sind und daher einer Entmagnetisierung unterliegen, die um so stärker ist, je höher die Schalthäufigkeit ist. Bei häufigen Schaltungen verliert der Schalter somit an Betriebssicherheit. Auch ist die Anwendungsmöglichkeit des Schalters recht begrenzt.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen und einen universell verwendbaren. Schalter anzugeben, bei dem die Dauermagnete nicht nachteilig durch das Kraftfeld der Erregerwicklung beeinflußt werden und der für viele Zwecke der Schwachstrom- und Starkstromtechnik geeignet ist, wobei er in manchen Fällen elektronische Bauelemente ersetzen kamt.·

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Schalter der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß die Dauermagnete als Brückenmagnete ausgebildet sind, die sich alt den. Flächen der entgegengesetzten Pole mit Abstand einander gegenüberliegen., so daß der Magnetfluß einen geschlossenen Sing bildet, daß ferner die Kontakte und der zwischen ihnen frei bewegliche Anker in der Mitte zwischen den Magneten in einer hermetisch geschlossenen., Hagnetismus und Elektrizität nicht leitenden Kontaktkapsel angeordnet sind, aus der die mit den Kontakten verbundenen elektrischen leiter nach außen gefUfert sind, und daß zwischen den Brückenaagneten eine den Anker timgebende Erregerwicklung vorgesehen ist, die durch aus dem Gehäuse herausgeführte Leiter aktivierbar ist und dann den Anker polarisiert.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Brückenmagnete in dem Gehäuse bewegbar angeordnet und durch Druck auf einen Schaltknopf gegen die Kraft von Federn relativ zu der stationär befestigten Kontaktkapsel verschiebbar sind, wobei sie durch Distanzstücke auf Abstand gehalten werden.

An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung näher beschrieben· Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Torderansicht des Schalters gemäß der Erfindung^

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Seitenansicht des Schalters von Fig. 1;

Fig. 3 ..

und

Fig. k schematische Darstellung von Steckverbindungsetücken zur Zusammensteckung von Schaltergruppen nach Fig. 1;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Torderansicht einer

weiteren Ausführungsform des Schalters der Erfindung;und

Fig. 6 eine scheaatische Darstellung der Seitenansicht des . Schalters von Fig. 5·

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Wie aus Figur 1 ersichtlich, sind in dem Gehäuse 7 des Schalters im Abstand voneinander zwei Dauermagnete in Form von Brückenmagneten 1 angeordnet» die sich mit den Flächen der ungleichnamigen Pole mit Abstand gegenüberliegen, so daß ein ringförmiger, geschlossener Magnetfluß erzielt wird. In der Mitte zwischen den Magneten 1 ist eine hermetisch geschlossene Kontaktkapsel 2 stationär befestigt, die mindestens zwei Paare von elektrischen Kontakten k enthält, die an des seitlichen Enden der Kontaktkapsel 2 gelegen und mit elektrischen Leitern 8 verbunden sind, die aus der Kontaktkapsel 2 und dem Gehäuse 7 herausgeführt sind. Jedes Kontaktpaar ist einem der Brükenmagnete 1 benachbart· Zwischen den Kon takt paar es befindet sich ein frei beweglicher Anker 3 aus elektrisch leitenden!} ferromagnetische» Material, z.B. verkupfertem Weicheisen, und die Kontaktpaare h sowie der Anker 3 sind von einer Erregerwicklung 5 umgeben, von der zwei elektrische Leiter 9 aus dem Gehäuse 7 herausgeführt sind. Die Erregerwicklung 5 ist bei der Ausführung des Schalters nach. Fig. 1 im Innern der Kontaktkapsel 2 angeordnet; sie kann aber auch außerhalb derselben angeordnet sein und die Kontaktkapsel 2 einschließen. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Kontaktpaare in der Kontaktkapsel untergebracht sein·

Die Kontaktkapsel 2 besteht aus einem Magnetismus und Elektrizität nicht leitenden Material, zweckmäßig aus Kunststoff oder Glas, und wird z.B. durch umgießen mit einem Kunstharz in dem Schaltergehäuse 7t das ebenfalls axis gepreßtem oder gespritztem Kunststoff bestehen kann, befestigt. Wenn an den Kontakten k höhere Spannungen anliegen und sie von stärkeren Strömen durchflossen werden, wird der Innenraum der Kontaktkapsel zweckmäßigerweise mit einem Funkenlöschmittel gefüllt, das durch die Bezugsziffer 6 angedeutet ist und beispielsweise aus Mineralöl, Schwefelhexafluorid od. dgl. bestehen kann. Auch empfiehlt es sich dann, die Kontaktflächen des Ankers 3 kugelförmig auszubilden und die Kontakte h federnd anzubringen, um die Bildung von Abreißfunken zu unterdrücken oder gering zu halten.

Die Dauermagnete bestehen vorzugsweise aus einer Cobalt-Seltene Erdmetalle-Legierung, beispielsweise einer Gobalt-Samarium-Legierung. Diese Legierungen enthalten als Hauptbestandteil intermetallische Verbindungen vom Typ BCo^, worin H ein seltenes Erdmetall ist.

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Diese Magnetwerkstoffe sind etwa fünfmal stärker als die meisten Alnico-Legierungen und etwa zweimal stärker als Platin-Cobalt-Magnetwerkstoffe. Sie zeichnen sich durch ein hohes Energieprodukt (BH) aus, das im Bereich von 16-20.10 Gauss-Oerstedt (Ferrite 3, Alnico 5, Pt-Co 10-10 Gauss-Oerstedt) liegt, und zeigen auch eine gute Hochtemperatur-Beständigkeit. Ihr Curie-Punkt liegt über demjenigen der Platin-Cobalt-Magnete, Die Verwendug von Gobalt-Samarium-Magneten ermöglicht, die Baugröße der Magnete klein zu halten und den Schalter auch bei höheren Temperaturen zu betreiben, bei denen die Magnetisierungsverluste anderer Magnetstoffe schon erheblich ins Gewicht fallen.

Die von den Kontakten k nach außen geführten Leiter 8 gehören für jedes Kontaktpaar zu einem eigenen (nicht dargestellten) Stromkreis. Diese Stromkreise können von Gleich- oder Wechselströmen niedriger oder hoher Spannung und Stromstärke durchflossen werden. Die Erregerwicklung 5 ist durch die aus dem Gehäuse 7 herausgeführten Leiter 9 in der Regel in einen separaten Stromkreis (nicht dargestellt) geschaltet, kann aber für eine besondere Anwendung des Schalters auch mit einem der Kontaktpaare k in Reihe geschaltet sein, wie noch beschrieben wird.

Wenn der Stromkreis der Erregerwicklung 5 geschlossen wird, so bewirkt das Magnetfeld der Wicklung eine Magnetische Polarisierung des frei beweglichen Ankers 3· Dies hat zur Folge, daß der Anker 3 von dem Brückenmagneten 1 angezogen wird, dessen Pole zu den Polen des magnetisieren Ankers ungleichartig sind. Wird beispielsweise der Anker 3 so polarisiert, daß in Fig. 1 sein Nordpol sich am rechten Ende befindet, so wird der Anker 3 von dem oberen Magneten 1 angezogen und überbrückt das obere Kontaktpaar k· Um die Magnetisierung des Ankers 3 und damit den Schaltvorgang zu bewirken, braucht die Erregerwicklung 5 nur von einem kurzen Stromstoß durchflossen zu werden, wobei Spannung und Stromstärke verhältnismäßig gering sein können. Wird der Stromfluß in der Erregerwicklung 5 umgekehrt, so wird auch der Anker 3 aagnetisoh umgepolt; aus seinem Nordpol wird ein Südpol und umgekehrt. Infolgedessen wird nun der Anker 3 von dem Brückenmagneten 1, der ihn bisher anzog, abgestoßen und von dem gegenüberliegenden Brückenmagneten 1 angezogen, so daß er sich von dem bisher überbrückten

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Kontaktpaar k löst und zu dem anderen Kontaktpaar h wandert, das dem unteren Magneten 1 benachbart ist· Damit wird der zum oberen Kontaktpaar h gkhörige Stromkreis geöffnet und der zu dem unteren Kontaktpaar k gehörige Stromkrds geschlossen. Da die Erregerwicklung die Dauermagnete nicht umgibt, werden die Magnete von dem Kraftfeld der Wicklung nicht nachteilig beeinflußt, insbesondere nicht entmagnetisiert, auch nicht bei sehr hoher Schalthäufigkeit, sondern bei jeder Erregung der Wicklung wird zusätzlich jeweils einer der Magnete von dem Kraftfeld der Wicklung je nach Stromflußrichtung magnetisiert·

Die von den Kontakten k nach außen geführten Leiter 8 und die aus dem Gehäuse 7 herausgeführten Leiter 9 der Erregerwicklung 5 können an der Stelle, wo sie aus dem Gehäuse 7 austreten, mit Steckerverbindern versehen sein, so daß mehrere Schalter der Erfindung zu Gruppen zusammengesteckt werden können, wobei die Steckverbindungen sowohl an den Leitern 8 als auch an den Leitern 9 vorgenommen werden können. Beispiele solcher gesteckter Schaltergruppen sind in den Figuren 3 und ^f dargestellt·

Wie zu erkennen, lassen sich mit Hilfe des Schalters bzw. der Schaltergruppen leicht logische Schaltungen, insbesondere für die Funktionen NICHT, ODER, UND sowie FLIP-FLOP, aufbauen. Wenn keine sehr kurzen Schaltzeiten erforderlich sind, wie sie nur mit nahezu trägheitslos reagierenden elektronischen Bauelementen zu erreichen sind, dagegen aber Wert auf Betriebssicherheit gelegt wird, kann der Schalter mit Vorteil empfindliche elektronische Schaltbauteile, wie Dioden, Transistoren usw., ersetzen.

Andererseits eignet sich der Schalter auch für die Schaltung starker Ströme mit Hilfe verhältnismäßig niedriger' Steuerspannungen, da für die magnetische Polarisierung des Ankers 3 nur schwache Ströme nötig sind»

Eine besondere Anwendungsmöglichkeit des Schalters ist sein Einsatz als Überlastsicherung. Für die Überlastsicherung eines Gleichstromkreises braucht dieser nur an eines der Kontaktpaare k gelegt zu werden, das dann mit der Erregerwicklung 5 in Reihe geschaltet wird· Bei zunehmendem Stromfluß durch das Kontaktpaar

die,

steigt auch der Stromfluß durch/Erregerwicklung, und durch geeignete Abstimmung voir Erregerwicklung und Feldstärke der Magnete kann

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man erreichen, daß bei einer bestimmten Stärke des durch Kontakte und Wicklung fließenden Stromes der Anker 3 umgepolt und von dem Magneten abgestoßen wird, so daß der Stromkreis an den Kontakten geöffnet wird. Zur Steigerung der Empfindlichkeit der Überlastsicherung können die Kontakte h federnd ausgebildet sein oder der Anker aus einem Material mit höherer Remanenz bestehen.

Eine andere Möglichkeit, den Schalter als Überlastsicherung einzusetzen, besteht darin, daß der Anker 3 aus einem ferromagnetischen Material mit vorgewähltem Curie-Punkt bzw. vorgewählter Abnahme der Magnetisierung bei Temperaturanstieg besteht und einen vorbestimmten leitenden Querschnitt hat. Wenn dann ein Paar der Kontakte k wiederum in den zu sichernden Stromkreis gelegt wird und durch Zunahme der Stromstärke in dem Kreis eine Temperaturerhöhung des Ankers eintritt, wird dieser entmagnetisiert bzw. verliert seine ferromagnetischen Eigenschaften überhaupt, sobald ein bestimmter Temperaturgrenzwert überschritten wird. Der Anker kann nunmehr nicht mehr von dem Magneten gehalten werden und fällt ab, wodurch der Stromkreis an den Kontakten unterbrochen wird. Nach Abkühlung läßt sich der Anker durch Aktivierung der Erregerwicklung 5 wieder polarisieren und damit der Stromkreis wieder schließen. Diese Art der Überlastsicherung eignet sich für Gleich- und Wechselstromkreise·

Eine Weiterbildung des Schalters gemäß der Erfindung ist in den Figuren 5 und 6 dargestellt, in denen gleiche Bezugsziffern die gleichen, vorstehend beschriebenen Bauteile bezeichnen. In dieser Ausführungsform des Schalters sind die Brückenmagnete 1 in dem Gehäuse bewegbar angeordnet und werden durch die Distanzstücke 10 auf gleichbleibenden Abstand gehalten· Beide Brückenmagnete 1 stehen unter der Einwirkung von Zug- bzw· Druckfedern U, die sich mit ihren anderen Enden auf das Gehäuse 7 abstützen· An einem der Brückenraagnete 1 greift ein Schaltknopf 12, ein Kippschalter od. dgl. an, so daß durch Druck auf den Schaltknopf 12 die Brückenmagnete 1 relativ zu dem Gehäuse 7 und der stationär in dem Gehäuse befestigten Kontaktkapsel 2 verschoben werden können. In der Kapsel 2 befindet sich nur ein Kontaktpaar 4, dessen herausgeführte Leiter δ an der Außenwand des Gehäuses 7 in Schraubklemmen oder ähnlichen Verbindungselementen enden und das dem Magneten benachbart ist, an dem der Schaltknopf 12 angreift. Die Erregerwicklung 5 ist außerhalb der Kontaktkapsel 2 so angeordnet, daß sie die Kontaktkapsel 2 umgibt·

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230Λ775

Diese Ausführungsform des Schalters ist besonders als Überlastsicherung des einen oder anderen vorstehend beschriebenen Typs geeignet. Wenn der Anker 3 entweder durch Umpolung oder durch Entmagnetisierung abgeworfen worden bzw« abgefallen ist, genügt ein Druck auf den Schaltknopf 12, um den unterbrochenen Stromkreis wieder zu schließen* Beim Niederdrücken des Schaltknopfes 12 wird der Hagnet 1, an dem der Schaltknopf angreift, dem abgeworfenen bzw. abgefallenen Anker 3 angenähert, während der andere Magnet Ton dem Anker entfernt wird. Das von dem angenäherten Magneten ausgehende Magnetfeld polarisiert den Anker, der daraufhin von dem Magneten angezogen wird und die Kontakte k wieder überbrückt· Da die Polarisierung des Ankers 3 bestehen bleibt, auch wenn die Brückenmagnete 1 nach dem Aufhören des Schaltknopfdruckes unter der Wirkung der Federn 11 wieder in ihre Ausgangslage zurückkehren, wird der Anker weiterhin von dem Magneten, der ihn polarisiert hat, angezogen, so daß auch die Überbrückung der Kontakte k erhalten bleibt. Andererseits kann die RepolarisLerung des Ankers 3 auch durch eine entsprechende Aktivierung der Erregerwicklung 5 bewirkt werden· Diese Ausführungsform des Schalters bietet somit die Möglichkeit, den Schalter nach einem UnterbrechungsVorgang sowohl elektrisch als auch manuell rückzustellen.

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Claims

Ansprüche

1. Bistabiler, durch magnetische Energie betätigter Schalter mit einem Gehäuse, in dem zwei Dauermagnete untergebracht sind, zwischen den Magneten angeordneten Kontakten, die mit elektrischen Leitern verbunden sind, und einem frei beweglichen Anker aus elektrisch leitendem, ferromagnetische!!! Material, der jeweils mindestens ein zusammengehöriges Paar der Kontakte zu überbrücken vermag, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauermagnete als Brückenmagnete (1) ausgebildet sind, die sich mit den Flächen der entgegengesetzten Pole mit Abstand einander gegenüberliegen, so daß der Magnetfluß einen geschlossenen Ring bildet, daß ferner die Kontakte (4) und der zwischen ihnen frei bewegliche Anker (3) in der Mitte zwischen den Magneten (1) in einer hermetisch geschlossenen, Magnetismus >ütttd Elektrizität nicht leitenden Kontaktkapsel (2) angeordnet sind, aus der die mit den Kontakten Cf) verbundenen eläctrischen Leiter (8) nach außen geführt sind, und daß zwischen den Brückenmagneten (1) eine den Anker (3) umgebende Erregerwicklung (5) vorgesehen ist, die durch aus dein Gehäuse (7) herausgeführte Leiter (9) aktivierbar ist und dann den Anker (3) polarisiert.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« daß die Brückenmagnete (1) in dem Gehäuse (7) bewegbar angeordnet und durch Druck auf einen Schaltknopf (12) gegen die Kraft von Federn (11) relativ zu der stationär befestigten Kontaktkapsel (2) verschiebbar sind, wobei sie durch Distanzstücke (10) auf Abstand gehalten werden»

3· Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet _t daß die Dauermagnete aus einer Cobalt-Seltene Erdmetalle-Legierung bestehen.

k. Schalter nach Anspruch 3t dadurch gekennzeichnet, daß die Dauermagnete aus einer Cobalt-Samarium-Legierung bestehen.

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5. Schalter nach einem, der Ansprüche 1 bis k_t dadurch gekennzeichnet« daß der Baum in der hermetisch geschlossenen Kontaktkapsel (2) mit einem Funkenlöschmittel (6), wie Mineralöl, Schwefelhezafluorid od. dgl·, gefüllt ist.

6. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Kontakten (,k) nach außen geführten Leiter (8) und die aus dem Gehäuse (7) herausgeführten Leiter (9) der Erregerwicklung (5) an der Gehäusewand mit
Steckerverbindungen versehen sind, so daß mehrere Schalter zu einer Gruppe zusammensteckbar sind.

7· Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5t dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (5) und mindestens eines der Kontaktpaare (4) in Seihe geschaltet sind.

8. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (3) aus ferromagnetische!!! Material mit vorgewähltem Curie-Punkt oder vorgewählter Entmagnetisierung bei Temperatursteigerung besteht, so daß der Anker (3) bei Erwärmung auf eine vorbestimmte Temperatur nicht mehr

von den Magneten (1) angezogen wird»

9. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (4) gefedert sind.

10. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen des Ankers (3) kugelförmig ausgebildet sind.

11. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (3) aus verkupfertem Weicheisen
besteht»

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